SECTORIZACION IMTA.ppt [Modo de compatibilidad]
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SECTORIZACIÓN DE REDES DE AGUA POTABLE APOYADA EN LA
TEORÍA DE GRAFOSTEORÍA DE GRAFOS
Velitchko TzatchkovVíctor Hugo Alcocer Yamanaka
Subcoordinación de Hidráulica Urbana
MOTIVACIÓN (1/3)Las pérdidas de agua potable en las redes de distribución son muy importantes
EFICIENCIA GLOBAL EN MÉXICO (%)
Año 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009PIGOO 23 37 38 38 44 43 40 50
CONAGUA 45 70 142 143 95 172 268CONAGUA 38 46 92 69 54 85 124
MOTIVACIÓN (2/3)
20,000,000
40,000,000
60,000,000
80,000,000
100,000,000
120,000,000
Popullation of Mexico
Serie1
• La población de México ha crecido mucho en las últimas décadas– 1950: 25 millones de habitantes– 2005: 110 millones de habitantes
• La mayor parte de este crecimiento se ha dado en las ciudades• En muchas ocasiones las redes de agua potable de esas ciudades
han crecido con poca planeación
0
20,000,000
1950 1960 1970 1990 1995 2000 2005
Years
MOTIVACIÓN (3/3)
• En resultado, en muchas ciudades mexicanas se tienen redes de agua potable grandes, abastecidas por varias fuentes interconectadas por medio de la propia red
• En estas condiciones es difícil controlar del agua entregada y consumida
• En las últimas dos décadas, una solución a este tipo de situaciones, ha sido de sectorizar la red
SECTORIZACIÓN
• Consiste en dividir la red en varias subredes separadas hidráulicamente
• A cada subred se le llama sector o distrito hidrométricohidrométrico
• Una, o máximo dos entradas de agua a cada distrito
• Cada distrito opera aislado del resto de la red
• Macromedidor en cada entrada
• En ocasiones, los distritos están definidos en forma natural, por ejemplo una colonia separada que se abastece por un tanque
• En otros casos, hay que hacer adecuaciones para lograr el aislamiento hidráulico del distrito– Cierre de válvulas
– Instalación de válvulas nuevas
– Corte de líneas, etc.
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SAN JACINTO
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TEATRO DE
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DH05-L12
CR-17
DISTRITO HIDROMÉTRICOAISLADO CON CIERRE DE VÁLVULAS
(Zona Centro de Tuxtla Guitérrez, Chiapas)
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PALACIOMUNICIPAL
FEDERALPALACIO
DEGOBIERNO
PALACIO
BARRIOSAN
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PERIODISTA
GRANJAUNCIL
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525.39
523 .68
525.15
z 522.74015112
BARRIOHIDALGO
CENTRALBIBLIOTECA
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538.47
538.06
536.32
537.69
537.37
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EL
CALVARIO528.51
5 27.5 4
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SIMBOLOGIA
ESCALA:
FECHA:
1:2500
MARZO DE 2004
1"Ø
3"Ø4"Ø6"Ø8"Ø
10"Ø
12"Ø14"Ø16"Ø18"Ø
20"Ø24"Ø
30"Ø36"Ø
2"Ø2 1/2"Ø
DISTRIBUCION:
MIERCOLES, VIERNESY DOMINGO DE
04:00 A 16:00 HORAS
1200
POBLACION ESTIMADA:
NUM. ESTIMADO DETOMAS:
5,100 HABITANTES
VALVULA DE SECC.
TAPON
LIMITE DEL DISTRITO
Tuberia de PEAD 6" en operacion, instalada en 1996. L=552.50 ML
FR PARQUE MADERO
Am
plia
ción
de
Red
CR-01
CR-02
CR-03
CR-04
CR-0 5
CR-06
CR-07
CR-08
CR-09
CR-1 0
CR-1 1
CR-12
CR-13
CR-16
CR-15
CR-14
CR-18
CR-19
CR-2 0
CR-21
CR-22
CR-23
CR-24
CR-25
MACROMEDIDOR 8"
#M9
9623
20 - C# 114
7A
#M81
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03313
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1146
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40319
8 - C# 113
6 A
#M2
0655
3 - C#
1136
#M85
3831
- C#
1128
#M
686
20 - C
# 111
2
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90686
33 - C
# 110
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1118
#M
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03575
#M55
82 - C
# 10
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1722
1 - C#
1038
#M
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# 1037
#M
148
3617
- C#
1026
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1016
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# 950
#M
2239
949 - C
# 872
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5938
9 - C#
930
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# 934
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# 927
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- C#
918
NO HAY TOMA - C# 307
#M 0064297 - C # 348
#M 00161136 - C# 258
#M 1953599 - C # 256
#M NO ESTA VISIBLE - C# 240
#M 164434
#M 164435
C # 261
C# 253
#M 1396149
C # 235
#M 2199733
#M 184604
#M 6485
#M 580453
#M 112017
CR-2 6
CRANEXO 1
CRANEXO 2
CRANEXO 3
CRANEXO 4
CRANEXO 5
CRANEXO 6
CRANEXO 7
CRA NEX O 8
CRANEXO 9
CRANEXO 1 0
CRANEXO 11
534.63
533.09
530.86
529.71
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533.85
533.89
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531.18
529.97
537.10
537.76
535.01
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530.64
530.51
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PALACIOMUNICIPAL
FEDERALPALACIO
DEGOBIERNO
PALACIO
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IEN
TE
8A
CA
OR
IEN
TE
NO
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E
AV CENTRAL ORIENTE
9A
CA
OR
IEN
TE
NO
RT
E
9A
CA
OR
IEN
TE
NO
RT
E
9A
CA
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IEN
TE
SU
R
8A
CA
OR
IEN
TE
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7A
CA
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IEN
TE
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R
10
A C
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10A
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TE
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11A
CA
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IEN
TE
NO
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1A
CA
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TE
NO
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E
1A AV SUR ORIENTE
2A AV SUR ORIENTE
1A AV SUR ORIENTE
10 A
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TE
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11
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E S
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12
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13
A C
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RIE
NT
E S
UR
12
A C
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NT
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OR
TE
AV CENTRAL ORIENTE
14A
CA
OR
IEN
TE
SU
R
15A
CA
OR
IEN
TE
SU
R
16
A C
A O
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NT
E S
UR
BL ANGEL ALBINO CORZO
BL ANGEL ALBINO CORZO
15 A
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16
A C
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13
A C
A O
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NT
E N
OR
TE
1A AV NORTE ORIENTE
CJ 2A CA NORTE ORIENTE
2A AV NORTE ORIENTE
3A AV NORTE ORIENTE
12
A C
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NT
E N
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TE
13
A C
A O
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NT
E
NO
RT
E
14
A C
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15
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NT
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OR
TE
16
A C
A O
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NT
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OR
TE
4A AV NORTE ORIENTE
5A AV NORTE ORIENTE
PR 5A NORTE ORIENTE
PR 3A AV NORTE ORIENTE
3A AV NORTE ORIENTE
4A AV NORTE ORIENTE
AV CIPRES
CZ FLAM
BOYANTS
AV PINOS
CA
FA
US
TIN
O
MIR
AN
DA
540.76
538.47
538.06
536.32
537.69
537.37
534.94
EL
CALVARIO
4A AV SUR ORIENTE
2A
CA
OR
IEN
TE
SU
R
3 A C
A O
RIE
NT
E S
UR
4A
CA
OR
IEN
TE
SU
R
AN
SA
N R
OQ
UE
528.51
5 27.5 4
527.91
530.60
531.98
533.50
533.12
529.71
533.36
5 35.41
539.80
538.5 8
538.06
535 .36
526.82
526.71
5 27.3 4
527.63
526.90
5 25.94
CREA INDEJECH
3A AV SUR ORIENTE
8A
CA
OR
IEN
TE
SU
R
9A
CA
OR
IEN
TE
SU
R
10
A C
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11
A C
A O
RIE
NT
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UR
7A
CA
OR
IEN
TE
SU
R
2A AV SUR ORIENTE
3A AV SUR ORIENTE
1A AV SUR ORIENTE
2A AV SUR ORIENTE
3A AV SUR ORIENTE4A AV SUR ORIENTE
SIS
TE
MA
MU
NIC
IPA
L D
E A
GU
A P
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LA
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OR
IZA
CIO
N D
E L
A R
ED
DE
AG
UA
PO
TA
BLE
SIMBOLOGIA
ESCALA:
FECHA:
1:2500
MARZO DE 2004
1"Ø
3"Ø4"Ø6"Ø8"Ø
10"Ø
12"Ø14"Ø16"Ø18"Ø
20"Ø24"Ø
30"Ø36"Ø
2"Ø2 1/2"Ø
DISTRIBUCION:
MIERCOLES, VIERNESY DOMINGO DE
04:00 A 16:00 HORAS
1200
POBLACION ESTIMADA:
NUM. ESTIMADO DETOMAS:
5,100 HABITANTES
VALVULA DE SECC.
TAPON
LIMITE DEL DISTRITO
CZ IGNACIO ZARAGOSA
Tu b
e ri a
de
PE
AD
4"
fuer
a d
e op
era
c io n
, in s
tal a
d a e
n 1
996,
L=4
25.0
0 M
L
Tuberia de PEAD 6" en operacion, instalada en 1996. L=552.50 ML
FR PARQUE MADERO
M 8"
Am
plia
ción
de
Red
CR-01
CR-02
CR-03
CR-04
CR-0 5
CR-06
CR-07
CR-08
CR-09
CR-1 0
CR-1 1
CR-12
CR-13
CR-16
CR-15
CR-14
CR-18
CR-19
CR-2 0
CR-21
CR-22
CR-23
CR-24
CR-25
4A AV NORTE ORIENTE
MACROMEDIDOR 8"
#M9
9623
20 - C# 114
7A
#M81
2018
- C# 114
7
#M - C
# 1103
#M IN
TE
RIO
R - C
# 1115
#M
INT
ER
IOR
- C# 1
121
#M
41723
0 - C# 1
141
#M N
O S
E V
E - C
# 1127
#M 4
03313
#M20
2269
- C#
1146
#M
40319
8 - C# 113
6 A
#M2
0655
3 - C#
1136
#M85
3831
- C#
1128
#M
686
20 - C
# 111
2
#M9
90686
33 - C
# 110
2A
#M
NO
TIE
NE
- C#
1118
#M
012
03575
#M55
82 - C
# 10
38A
#M4
1722
1 - C#
1038
#M
402
896 - C
# 1037
#M
148
3617
- C#
1026
#M
NO
SE
VE
- C#
1016
#M20
6198 - C
# 964
#M N
O S
E VE
MED
IDO
R - C
# 950
#M
2239
949 - C
# 872
#M 5
5938
9 - C#
930
#M N
O S
E V
E - C
# 934
#M
NO
HA
Y T
OM
A - C
# 927
NO
HA
Y TO
MA
- C#
918
NO HAY TOMA - C# 307
#M 0064297 - C # 348
#M 00161136 - C# 258
#M 1953599 - C # 256
#M NO ESTA VISIBLE - C# 240
#M 164434
#M 164435
C # 261
C# 253
#M 1396149
C # 235
#M 2199733
#M 184604
#M 6485
#M 580453
#M 112017
CR-2 6
CRANEXO 1
CRANEXO 2
CRANEXO 3
CRANEXO 4
CRANEXO 5
CRANEXO 6
CRANEXO 7
CRA NEX O 8
CRANEXO 9
CRANEXO 1 0
CRANEXO 11
ALGUNOS PROYECTOS DE SECTORIZACIÓN LLEVADOS A CABO O ASESORADOS A CABO O ASESORADOS
POR EL IMTA
Toluca, Edo. de México (410,540 habitantes) 17 sectores
ED1 ED3
ED4
ED8
El modelo considera tuberías de
ED5
ED6
ED7
ED9
ED10
ED11ED12
ED13
ED14
ED15
ED16
ED17
ED17
SIMBOLOGIA
Entrada de
agua al distrito
ED2
0 500 1000 2000
ESCALA GRÁFICA
CROQUIS DE LOCALIZACIÓN
H. AYUNTAMIENTO DE TOLUCA
tuberías de 6” y mayores.
936 nodos y 1023 tramos
Zona Norte
Zona 12”Zona
18”
Zona Chacona
Zona
Plan de
Ayala
TUXTLA GUTIÉRREZ, CHIAPAS(500,000 habitantes)
Zona Zona 12”
Zona 20”18”
Zona
18”Zona Sur
Zona SurZona
Teran
Zona AñoDistritos
Propuestos
Zona Centro 2003 23
Zona Norte 2003 60
Zona Sur, Teran y Plan de Ayala
2004 34
Capt. La Chacona 2004 19
TOTAL 136
MATAMOROS, TAMAULIPAS(700,000 habitantes), 4 sectores
SAN LUÍS RÍO COLORADO, SONORA (170,000 habitantes), 10 sectores
El modelo incluye todas las tuberías (2.5” y mayores). 1,889 nodos y 2,680 tramos
Chihuahua, Chihuahua, ChihChih..
SECTORIZACIÓN• Se utiliza para:
– Realizar balances del agua– Diagnostico de pérdidas
• Pérdidas físicas (fugas)• Pérdidas comerciales
– Detectar zonas con fugas– Facilitar la reducción de las fugas – Lograr un mejor control de la operación– Lograr un mejor control de la operación
Volumen producido Vp
Volumen entregado a redes Ve
Volumen distribuido o consumido Vd
Volumen facturado Vf
Volumen cobrado Vc
Pérdidas de conducción: fugas en conducción, derrames, etc.
Pérdidas de distribución: fugas en redes, en tomas , en cajas, etc.
Pérdidas de facturación: clandestinos, submedición, cuota fija, etc.
Pérdidas de cobranza: cartera vencida, clientes morosos, etc.
Eficiencia física(Vd/Vp)x100
Eficiencia de facturación(Vf/Vd)x100
Eficiencia de producción-facturación (Vf/Vp)x100
Modelación hidráulica de redes de agua potable
MODELO DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN
• Para analizar las posibles alternativas de sectorización se requiere de un modelo de la red
• En principio, cualquiera de los programas de cómputo conocidos pueden ser usadoscómputo conocidos pueden ser usados– Epanet– SARA– WaterCAD– Infoworks, etc.
• Ninguno de ellos contiene facilidades específicas para proyectos de sectorización
FACILIDADES REQUERIDAS PARA PROYECTOS DE SECTORIZACIÓN EN REDES GRANDES
• Obtener cuantas redes independientes (sectores) se tienen capturadas
– crucial para detectar errores
• Obtener los nodos en cada sector y su demanda total– esencial para realizar balances del agua en el sector
• Revisar si las acciones propuestas de sectorización, dejarían partes de la red sin suministro
– ayuda a detectar errores
• Definir el área de influencia de cada fuente, y la contribución de cada fuente sobre el consumo en cada nodo
– importante para definir la sectorización
DOS TÉCNICAS PARA OBTENERLAS
• Teoría de grafos
• Analogía con modelos de la calidad del agua en redes
Teoría de grafos• Es una rama de las
Matemáticas Discretas• Graph theory en inglés• Se conoce también como
“Teoría de redes”“Teoría de redes”• Proporciona algoritmos
eficientes– Búsqueda en profundidad
(depth-first search)– Búsqueda en amplitud
(breadth-first search)
ALGORITMO PARA OBTENERLAS SUBREDES SEPARADAS
• No se ocupa el sentido del flujo en las tuberías (grafo no dirigido)
• La red se representa por una lista en que para cada nodo se indican sus nodos vecinos
• Algoritmo:– Declarar un arreglo en se marcarán los nodos visitados, que – Declarar un arreglo en se marcarán los nodos visitados, que
puede nombrarse Visitados().– Asignar valor “Falso” a todos los elementos de Visitados() (en
el principio ningún nodo se encuentra visitado).– Revisar el estado del los nodos (visitado o no) uno por uno. Si
el nodo i no está visitado, se ejecuta la rutina BP (i) descrita a continuación.
– En resultado de la ejecución de la rutina BP (i), algunos nodos que no estaban visitados pasan a ser visitados. El conjunto de esos nodos forma una subred separada con raíz en el nodo i.
Rutina BP(i) (Búsqueda en Profundidad)
– i indica el nodo raíz de la subred:– Se revisan los vecinos no visitados de i. Al detectar un vecino no
visitado, éste se almacena en una pila y se declara visitado.– Se toma como nodo i el último nodo almacenado en la pila, y se
repite el punto 1 de la rutina. – El proceso termina cuando se vacía la pila.– El proceso termina cuando se vacía la pila.
• BP(i) realiza una Búsqueda en Profundidad (depth first search), por la razón de que el proceso avanza en profundidad (alejándose del nodo raíz).
• En la teoría de los grafos se muestra que en este algoritmo cada nodo se visita sólo una vez, por lo que es bastante rápido.
Advances in depth from the starting
Búsqueda en Profundidad
the starting (root) node
IMPLEMENTACIÓN EN EL SCADRED
IMPLEMENTACIÓN EN EL SCADRED
ALGORITMO PARA REVISAR NODOS
DESCONECTADOS
• No se ocupa el sentido del flujo en las tuberías (grafo no dirigido)• La red se representa por una lista en que para cada nodo se
indican sus nodos vecinos • Algoritmo:
– Declarar un arreglo en se marcarán los nodos visitados, que puede nombrarse Visitados().
– Asignar valor “Falso” a todos los elementos de Visitados() (en el – Asignar valor “Falso” a todos los elementos de Visitados() (en el principio ningún nodo se encuentra visitado).
– A cada nodo que representa una fuente de abastecimiento (tanque o bomba), se asigna valor “Verdadero”.
– Se revisa el estado del los nodos (visitado o no) uno por uno. Si el nodo i está visitado, se ejecuta la rutina BA (i) descrita a continuación.
– Los nodos que quedan no visitados no están conectados a ninguna fuente (no les puede llegar el agua).
Rutina BA(i) (Búsqueda en Amplitud)
– El nodo i se coloca en una pila.– Se toma el último nodo almacenado en la pila, y se revisan
sus nodos vecinos. Cada nodo vecino no visitado se coloca en la pila, y se declara como visitado.
– El proceso termina cuando se vacía la pila.
• BA(i) realiza una Búsqueda en Amplitud (breadth first • BA(i) realiza una Búsqueda en Amplitud (breadth first search), por la razón de que primero se recorren todos los nodos vecinos del nodo en cuestión, antes de pasar a otro nodo no visitado.
• En la teoría de los grafos se muestra que en este algoritmo cada nodo se visita sólo una vez también, por lo que es bastante rápido.
All nearest nodes are visited before
Búsqueda en Amplitud
visited before going in depth
IMPLEMENTACIÓN EN EL SCADRED
• Why breadth-first search is more efficient for finding disconnected nodes?– The root (source) nodes are known beforehand
– The search is faster as it spreads from the roots
• Why depth-first search is more efficient for finding separate networks?– The starting (root) nodes need not to be source nodes
– It is faster
ALGORITMO PARA LA CONTRIBUCIÓN DE LAS FUENTES AL CONSUMO
• En este análisis se ocupa el sentido del flujo en las tuberías (grafo dirigido)
• Se describe por dos listas por cada nodo: – nodos que introducen agua al nodo – nodos que introducen agua al nodo
– nodos que reciben agua del nodo
• Se desprende del algoritmo de cálculo de la concentración de una sustancia conservativa en los nodos de la red, dada su concentración en las fuentes de abastecimiento
CÁLCULO DE CONCENTRACIÓN EN NODOS DE DISTRIBUCIÓN Y DE MEZCLA EN UNA RED
Q 012≥ Q 0
12≤
C = C 12 11
C = C 12 22
1 2 1 2
1 2
3
C = C
1
3 4
4
Conceptos:
Nodos de mezcla
Nodos de
Conservation de masa
∑ CQ2C = C
14 11
C = C 43 44
C = C 44 14
Nodo de distribución
23 4
C = C 34 33
Nodo de mezcla
2 3
45
C = C 13 11
C = C 14 11
1 2 3
45
C = C 15 11
C = C 14 11
1
C = C 42 44
Nodos de distribución
∑
∑
∈
∈=
in
in
Nj ij
Nj jiij
iiQ
CQC
ALGORITMO PARA EL CÁLCULO DE CONCENTRACIÓN
• A los nodos que representan las fuentes se les asigna la concentración dada correspondiente.
• Se revisa el estado (con concentración asignada o no) de los nodos uno por uno. Si el nodo i tiene concentración asignada se pasa al siguiente punto de este algoritmo.
• El nodo i se coloca en una pila (será el primer nodo en la pila).– Se extrae el último nodo almacenado en la pila. Sea éste el nodo j.– Se extrae el último nodo almacenado en la pila. Sea éste el nodo j.– Se revisa el estado de los nodos vecinos que reciben agua del nodo j
uno por uno. Sea un nodo vecino de ese tipo k. – Si el nodo k no tiene concentración asignada, la concentración del
nodo j se asigna al tramo jk, y luego se revisa si tienen concentración asignada todos los tramos que introducen agua al nodo k. Si este es el caso, se calcula la concentración en el nodo k por la ecuación (1), y el nodo k se agrega a la pila.
– Se ejecuta hasta que la pila quede vacía.• Al concluir el ciclo arriba, queda definida la concentración en
todos los nodos de la red.
ALGORITMO PARA LA CONTRIBUCIÓN DE LAS FUENTES AL CONSUMO
• Se asigna una concentración ficticia de 100 unidades a la fuente y una concentración igual a cero en las restantes fuentes
• Se ejecuta el algoritmo descrito. • El valor de la supuesta concentración viene siendo el
porcentaje de contribución de la fuente al consumo en el • El valor de la supuesta concentración viene siendo el
porcentaje de contribución de la fuente al consumo en el nodo.
• El SCADRED muestra ese resultado en dos formas: – Una tabla en un archivo de texto – En forma gráfica en un diagrama tipo “pastel” (pie chart) con
diferente color para cada fuente y letreros con el número de la fuente
– La influencia de las fuentes se visualiza dentro de la red de forma la red de forma gráfica en cada uno de los nodos.
RESULTADO DE LA CONTRIBUCIÓN DE LAS FUENTES PARA UNA RED COMPLETA
PROYECCIÓN INTERNACIONAL
• Esta tecnología del IMTA ha sido publicada en foros internacionales
• Ha inspirado investigadores de otros países en de otros países en desarrollar métodos de sectorización basados en la teoría de grafos
ALGUNOS ARTÍCULOS QUE LA CITAN
CONCLUSIONES
• Los proyectos de sectorización en redes grandes con varias fuentes interconectadas requieren facilidades algorítmicas adicionales– análisis de conectividad– zona de influencia– contribución de las fuentes sobre el consumo.
• Esas facilidades normalmente no se tienen en los programas de análisis de redes de distribución de agua potable disponibles. análisis de redes de distribución de agua potable disponibles.
• Se han implementado algoritmos eficientes para ese fin, basados en la teoría de los grafos
• Los algoritmos descritos están implementados en el Sistema de Cómputo de Análisis y Diseño (SCADRED) del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
• Permiten visualizar la contribución de las fuentes, y definir con esto sus áreas de influencia, algo que es de importancia en los proyectos de sectorización.